¿Es alto el coste del tratamiento térmico para la impresión 3D de metal?

一, El papel principal del tratamiento térmico en la impresión de metal en 3D.
La impresión 3D de metal crea estructuras complicadas fundiendo polvo de metal una capa a la vez, pero este proceso tiene tres grandes problemas:
Estrés residual: el calentamiento y enfriamiento rápido con un láser puede cambiar la forma de la red, lo que puede provocar que las piezas se agrieten o doblen.
Defectos organizativos: la solidificación fuera de equilibrio crea características burdas como cristales columnares y dendritas, que hacen que los materiales sean menos fuertes.
Rendimiento desigual: se pueden formar fácilmente interfaces débiles en las uniones entre capas, lo que acorta la vida útil del material.
Al gestionar cuidadosamente el campo de temperatura y el proceso de transición de fase, el tratamiento térmico puede alcanzar tres objetivos principales:
Alivio del estrés: el tratamiento de recocido elimina el estrés sobrante y hace que las dimensiones sean más estables.
Optimización organizacional: Obtención de una estructura cristalina equiaxial uniforme y fina mediante el uso de solución sólida y tratamiento de envejecimiento.
Mejora del rendimiento: Controlar la forma de las etapas de precipitación para encontrar un equilibrio entre resistencia y dureza.
Por ejemplo, la tecnología SLM se utilizó para fabricar una pala de motor de aviación específica, que luego se trató con una solución a 1050 grados y se envejeció a 550 grados. La resistencia a la tracción pasó de 850 MPa a 1200 MPa y la vida útil a la fatiga se triplicó.
2. Una mirada multidimensional al desglose de costes del tratamiento térmico.
1. Costo del equipo: el costo de un control preciso
Para tratar térmicamente objetos metálicos impresos en 3D, se necesitan herramientas especiales:
Un horno de vacío evita que los metales activos, como las aleaciones de titanio, se oxiden. Cuesta entre dos y tres veces más que un horno normal.
Sistema de tratamiento térmico con láser: se utiliza para cambiar la superficie de un área pequeña y el equipo cuesta más de 5 millones de yuanes.
Un sistema de control inteligente debe incluir medición de temperatura por infrarrojos, control de atmósfera y otros módulos. El valor de un solo sistema supera el millón de yuanes.
Cierta empresa dice que la depreciación del equipo de tratamiento térmico representa entre el 18% y el 25% del costo unitario, y este porcentaje aumenta rápidamente a medida que mejora la precisión del equipo.
2. Costo de energía: las altas temperaturas crean un agujero negro en el consumo de energía-a largo plazo.
Configuraciones normales para el proceso de tratamiento térmico:
Tratamiento con solución: de 4 a 6 horas de aislamiento a 1000-1050 grados
Tratamiento temporal: mantenga el aislamiento a 160-180 grados durante 8-12 horas.
Recocido para aliviar el estrés: manténgalo a 300-400 grados durante 2-4 horas.
Por ejemplo, se necesitan entre 120 y 150 kWh de energía para tratar térmicamente una pieza de Ti6Al4V fabricada con SLM. El coste de la energía es superior al 15% si se utiliza una estufa de calefacción eléctrica. Si utiliza una caldera de calefacción a gas, ahorrará un 40% en costos de energía, pero necesitará gastar más en equipos para limpiar los gases de escape.
3. Costo del material: el juego de la eficiencia del reciclaje de polvo
El tratamiento térmico puede provocar pérdidas de material:
Quemadura por oxidación: cuando el metal se calienta a altas temperaturas, se produce una piel de oxidación en su superficie. La tasa de pérdida es del 0,5% al ​​1,2%.
Pérdida de sustancias volátiles: Los metales con puntos de ebullición bajos, como las aleaciones de magnesio, se evaporan a altas temperaturas perdiendo más del 2% de su peso.
Estructura de soporte: el diseño de piezas complejas de canales de flujo internos con soportes extraíbles aumenta la tasa de desperdicio de material entre un 5% y un 8%.
El sistema de reciclaje de polvo puede aumentar la tasa de utilización entre el 92% y el 95%; sin embargo, aún es necesario solucionar el problema de que el polvo reciclado pierda su eficacia. Un estudio encontró que después de tres usos, la concentración de oxígeno del polvo de Ti6Al4V aumentó un 0,03 %, lo que provocó que la resistencia a la fatiga de los componentes disminuyera un 12 %.
4. Costo de tiempo: la cadena de procesos tiene un cuello de botella en eficiencia
Un ciclo típico de tratamiento térmico se ve así:
Antes del tratamiento: limpieza, sin soporte, arenado (2 a 4 horas)
Calentar, aislar y enfriar (8 a 24 horas) son parte del tratamiento térmico.
Post-procesamiento: cortar el cable, pulirlo y probarlo (de 3 a 6 horas)
Una determinada empresa de repuestos para automóviles afirma que el procedimiento de tratamiento térmico representa entre el 60% y el 70% de todo el ciclo de producción de la impresión 3D. Ésta es una de las principales razones por las que las entregas son lentas.
3, Camino técnico para reducir costos
1. Cambiar la forma de hacer las cosas: acortar el ciclo de tratamiento térmico.
La técnica de recocido rápido utiliza calentamiento de alta densidad-potencia para reducir el tiempo que lleva tratar una solución de 6 a 2 horas.
Proceso de envejecimiento gradual: al controlar la temperatura en varias etapas, se reduce el tiempo total de aislamiento y al mismo tiempo se garantiza que el rendimiento sea bueno.
Tratamiento local de calentamiento por inducción: Sólo se calientan las partes más importantes, lo que reduce el consumo de energía en más del 70%.
Cierta compañía de aviones utilizó tecnología de recocido rápido para reducir el costo del tratamiento térmico de piezas de Ti6Al4V en un 35 % y hacer que la microestructura fuera más consistente en un 20 %.
2. Actualizar equipos: Aprovechar mejor la energía
Horno de cementación de baja-presión al vacío: mantenga la presión del aire entre 10 y 100 Pa para utilizar menos gas.
Sistema de recuperación de calor residual: utiliza el calor residual del agua de refrigeración para calentar piezas nuevas, lo que reduce el uso total de energía en un 18 %.
Sistema inteligente de control de temperatura: utiliza el aprendizaje automático para mejorar la curva de calentamiento y reducir la necesidad de procesamiento repetido causado por los cambios de temperatura.
Después de que cierto fabricante de equipos comenzó a utilizar un sistema inteligente de gestión de temperatura, la tasa de calificación del tratamiento térmico aumentó del 82 % al 95 % y el costo por unidad se redujo en un 22 %.
3. Mejorar los materiales: fabricar sistemas de aleaciones que sean baratos
Tecnología de impresión parcial: emplea aleación de aluminio en piezas que no tienen que soportar mucho peso y aleación de titanio en piezas que sí lo deben, lo que reduce el precio del material en un 40%.
Polvo nanomodificado: la adición de un 0,5% de nanopartículas reduce la temperatura del tratamiento térmico en 50 grados Celsius y reduce el uso de energía en un 30%.
Uso de polvo regenerado: cree un modelo de cómo cambiará el rendimiento del polvo con el tiempo para que la producción se mantenga estable después de al menos cinco usos.
La aleación de magnesio inoxidable Mg Zn Ca creada por cierto equipo de investigación funcionó tan bien como la aleación de aluminio en las pruebas de niebla salina y redujo los gastos de tratamiento de superficies en un 60 %.
4. Reingeniería de procesos: aunando fabricación y tratamiento térmico
Equipo integrado para el tratamiento térmico de impresión: se construye un módulo de calentamiento por inducción dentro de la cámara de impresión para permitir el recocido in situ.
Tecnología de gemelos digitales: uso de simulación para encontrar los mejores parámetros de proceso y reducir los costos de prueba y error.
Línea de producción automatizada: combina módulos como limpieza, tratamiento térmico y detección para reducir los gastos de mano de obra a la mitad.
Una empresa específica construyó una fábrica inteligente que redujo el costo total de las piezas impresas en 3D en un 42% al cambiar la forma en que se fabrican. El coste del tratamiento térmico bajó del 25% al ​​14%.